ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina SCEME - SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA GÁS METANO ELETRICIDADE Juraci Carlos de Castro Nóbrega Judith dos Santos Ferreira PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP
SCEME - SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA GÁS METANO ELETRICIDADE Juraci Carlos de Castro Nóbrega 2 Judith dos Santos Ferreira 3 Resumo Os biodigestores se constituem em uma valiosa alternativa para o tratamento dos dejetos orgânicos dos resíduos agropecuários pos permitem: reduzir microorganismos patogênicos; melhorar a capacidade fertilizante do material; eliminar odores e; gerar gás combustível denominado biogás o qual tem diversos usos. Neste trabalho apresenta-se os resultados da utilização do biogás para geração de eletricidade, levados a cabo no quilômetro 150 da estrada Am-010, no estado do Amazonas. Um motor diesel acoplado a um gerador foi adaptado para funcionar alimentado com biogás e diesel. Obteve-se um nível de substituição no consumo de diesel da ordem de 65% para o motor utilizado. Este trabalho demonstra a que é possível integrar a produção de alimentos e energia de maneira sustentável. Palavras-chave: Biodigestor, Biogás, Geração de energia. 2 Juraci Carlos de Castro Nóbrega, Doutor em Engenharia Elétrica 3 Judith dos Santos Ferreira, Mestre em Meio Ambiente 2470
Introdução O biogás é o nome que se usa para designar a mistura de gases resultantes da decomposição da matéria orgânica realizada por ação bacteriana em condições anaeróbias. O biogás é produzido em um recipiente fechado denominado biodigestor o qual pode ser construído de diversos tipos de materiais de construção. O biodigestor, Indiano possui um duto de entrada através do qual se coloca a matéria orgânica (por exemplo, esterco animal ou humano, as águas servidas das cidades, resíduos de matadouro, etc.) misturada com água, e um duto de saída no qual o material digerido pela ação bacteriana sai do biodigestor. Os materiais que entram e saem do biodigestor denominam-se afluentes e efluentes respectivamente. O processo de digestão que ocorre no interior do biodigestor libera a energia química contida na matéria orgânica, a qual se converte em biogás. O metano, principal componente do biogás, é o gás que confere as características combustíveis ao mesmo. O valor energético do biogás, portanto estará determinado pela concentração de metano em volta de 20 25MJ/m 3, comparado com 33 38MJ/m 3 para o gás natural (Werner et al 1989). Em pequena e media escala, o biogás tem sido utilizado na maior parte dos casos para cocção, embora, possa ser utilizado para iluminação, calefação e como substituto da gasolina amarela ou diesel. As utilizações dos biodigestores também permitem além da produção do biogás, enormes vantagens para a transformação de resíduos: Melhora a capacidade fertilizante do esterco. Todos os nutrientes tais como nitrogênio, fósforo, potássio, magnésio assim como os elementos menores são conservados no efluente. No caso do nitrogênio, boa parte do mesmo, apresenta-se no esterco na forma de macromoléculas e é convertido a formas mais simples como amônio (NH4+), as quais podem ser aproveitadas diretamente pelas plantas. Controle de microorganismos patogênicos. Este ocasionará que o nível de destruição dos patogênicos variará de acordo com fatores como temperatura e tempo de retenção, é comprovado experimentalmente que em volta de 85% dos microorganismos patogênicos não sobrevivem ao processo de biodigestão (Hohlfeld e Sasse 1986). Nas condições de laboratório, com temperaturas de 35 o C os coliformes fecais foram reduzidos em 50 70% e os fungos em 95% em 24 horas (Marchaim 1992). A experiência da Enertec na utilização de biodigestores Desde 1996, a Enertec tem trabalhado na utilização de biodigestores Indianos de aço para a geração de biogás a partir de esterco de animais, principalmente de bovinos. Têm-se utilizado biodigestores: de 3.2 metros de diâmetro por 4.0 m de altura, denominado SCBE. O qual representa a capacidade de digerir 23m 3 de biomassa e água, e, uma campânula capaz de armazenar 10m 3 de metano. 2471
Figura 1 Biodigestor com 10 m 3 de gás Nos primeiros anos de pesquisa, o objetivo principal para o estabelecimento de biodigestores por parte da Enertec foi a produção de biogás buscando diminuir o consumo de energia tradicional, os derivados do petróleo e a lenha. Embora, nos últimos anos o biodigestor tem tomado uma crescente importância como parte fundamental do sistema de tratamento de águas servidas do setor agropecuário (Pedraza et al 1995). O SCBE O biogás para geração de eletricidade O biogás é utilizado como combustível para motores diesel e a gasolina, a partir dos quais se produz energia elétrica por meio de um gerador. No caso dos motores diesel, o biogás pode substituir até 80%. Nos motores a gasolina o biogás pode substituir a totalidade da mesma, em geral nos projetos a nível agropecuário tem-se dado preferência a motores diesel considerando que se trata de um motor mais resistente e que se encontra com maior freqüência no meio rural. Durante o período de 1997 a 2000 a Enertec trabalhou com um projeto para a utilização do biogás como substituto da gasolina amarela em motores de ciclo Otto para geração de eletricidade, este projeto foi financiado pelo CNPq e até a presente data o sistema está funcionando. De 2000 a 2004 a Enertec trabalhou com um projeto para a utilização do biogás como substituto do diesel em motores ciclo diesel para geração de eletricidade, este projeto, também, foi financiado pelo CNPq e encontra-se funcionando, e é o que está sendo tratado no presente artigo. O presente trabalho, apresentando, utiliza motor diesel e está instalado no quilômetro 150 da estrada Am-010, no município do Rio Preto da Eva, no projeto de assentamento do Incra, Iporá, no estado do Amazonas. Neste local foi implementado este projeto piloto que é composto de um biodigestor, uma esterqueira, uma casa de máquinas, um escritório pra administração do projeto, poço de água com 100m de profundidade, com toda a instalação de recalque, armazenagem e distribuição de água. Todo o piloto foi dotado com energia para 2472
cocção e eletricidade utilizando o metano como combustível. Nesta comunidade foi fundada uma cooperativa para produção de plantas e ervas medicinais da Amazônia e graviola a COPERPAM - GRAVIOLA. Biodigestores Para a produção do biogás, instalou-se o biodigestor de aço com as seguintes dimensões 3.2m de diâmetro e 4.0m de altura, com uma campânula capaz de armazenar 10m 3 de gás. O biodigestor é tratado com tinta anticorrosiva a mesma utilizada para pintar casco de navio e está enterrado no solo. A pressão de saída do gás foi controlada através de tambores contendo limalha de ferro e cimento fixados em cima da campânula; a capacidade total do mesmo é fermentar 23m 3 de esterco e água na câmara de fermentação, com uma entrada de 1m 3 /dia, para gerar 10m 3 /dia de gás metano e 1m 3 /dia de adubo orgânico. O biodigestor está instalado ao lado de uma esterqueira que é o local onde se armazena os esterco dos animais, que são recolhidos nos sítios e fazendas da circunvizinhança. O preparo de esterco e água é feito no tanque de entrada e conduzidos por gravidade até o câmara de fermentação, veja figura a seguir. Figura 2 Esterqueira, Casa de Máquinas e Biodigestor Grupo Gerador Diesel A partir da campânula, o biogás e conduzido por tubulação de ferro galvanizado até um centro de distribuição de gás localizado na casa de máquinas. O centro de distribuição de gás controla o gás que irá ser direcionado para cocção e para o grupo gerador. Adaptações necessárias foram feitas, para que o biogás ingressasse no interior do filtro de ar, de tal maneira que o motor ao inspirar o ar requerido para a combustão do diesel, inspire também o biogás. Os trabalhos forma realizados utilizando-se o grupo gerador : Motor de 3 pistões, 9 kva de potencia, 1800 r.p.m., acoplado ao gerador elétrico Bambozzi de 6 kw, 220/127 V, 4 Pólos. 2473
Medidor de consumo de combustível Para a realização dos testes de consumo de combustível, o sistema possui um medidor de consumo de combustível em seu tanque. Testes Para a avaliação do nível de substituição de diesel, os ensaios forma realizados da seguinte maneira: Durante 30 minutos mediu-se o consumo de diesel com o motor operando com diesel. Durante 30 minutos mediu-se consumo de diesel com o motor operando com diesel e biogás. Em ambas as medidas foram tomadas com o sistema operando com as mesmas condições de carga. Em ambos casos, fez-se a monitoração kw, kva e consumo de diesel a cada 5 minutos. Os dados obtidos desta maneira permitiram determinar o consumo de diesel do motor com os dois tipos de combustível utilizado. Resultados Os resultados obtidos até o momento indicam um nível de substituição de diesel por biogás de 65% para o motor utilizado. Conclusão A utilização de biodigestores oferece grandes vantagens para o tratamento dos dejetos orgânicos agropecuários, pois além de diminuir os microorganismos patogênicos das mesmas, extrai grande parte da energia contida no material sem afetar seu valor fertilizante e controlando de maneira considerável os odores. O uso do biogás para a geração de eletricidade da um valor adicional ao emprego de biodigestores no setor agropecuário. No presente trabalho a utilização do biogás em motores diesel para geração de eletricidade tem demonstrado importantes benefícios econômicos, além, das vantagens anteriormente mencionadas. No assentamento rural do incra Iporá, Conseguiuse com o biogás uma substituição do consumo de diesel da ordem de 65%, que incide de uma maneira impactante na renda da COPERPAM-GRAVIOLA, cooperativa que gerencia o projeto desenvolvido pelo grupo de pesquisa Enertec da UFAm, isto demonstra o fato de integrar a produção de alimentos e Energía de uma maneira sustentável, utilizando-se resíduos agropecuários. 2474
Agradecimentos O presente trabalho só foi possível de ser realizado graças ao apoio econômico do CNPq e a colaboração por parte dos assentados do projeto Iporá. Bibliografia HOHLFELD J, SASSE L, Production and utilization of biogas in rural areas of industrialized and developing countries. GTZ. Eschborn, Alemania, 1986. MARCHAIM U, Biogas processes for sustainable development. FAO, Agricultural services bulletin 95, Roma,1992. MITZLAFF, KLAUS VON, Engines for biogas. GATE GTZ. Lengericher Handelsdruckerei, Lengerich, Alemania,1988. MUCHE H, ZIMMERMANN H, La purificación del biogas. GATE GTZ. Lengericher Handelsdruckerei, Lengerich,Alemania,1985. NÓBREGA, JURACI e OUTROS, Sistema de conversão de energia de biomassa/elétrica, Manaus, XII Congresso de Iniciação Científica, 2003. NÓBREGA, JURACI e OUTROS, SCBE - Sistema de conversão de energia Biológica Elétrica, XVII Conferência Latino Americana de Eletrificação Rural CLEAR, 1999 PEDRAZA GLORIA, BECERRA MARICEL, CONDE NATALIA, CHARÁ J, Descontaminación productiva de aguas utilizadas en labores domésticas y en sistemas de producción en zonas de montaña. En: Sistemas Pecuarios Sostenibles para las Montañas Tropicales. CIPAV CENDI. Cali, Colômbia, 1995. WERNER U, STÖHR U, HEES N, Biogas plants in animal husbandry. GATE GTZ. Lengericher Handelsdruckerei, Lengerich, Alemania, 1989. Summary Biodigestores are a very valuable option for the treatment of organic agricultural wastes as it is a system that: i) decreases the environmental pollution, ii) increases the fertilising value of the wastes, iii) decreases the concentration of odorous substances, and iv) produces a flammable gas called biogas which has different uses. This paper reports the results of biogas utilisation for power generation. The work was carried out at Iporá, Rio Preto da Eva Amazonas. One diesel engine-generator set was fitted for being fuelled with a biogas and diesel fuel in a fuel operation system 65% of diesel fuel was replaced by biogas for the Perkins engine. This work shows the economic possibility for integrating the production of food and power in a sustainable way. Key Words: Biodigestor, Biogas, Generation of Energy. 2475